基于SPS的長(zhǎng)輸管道減阻效果分析

劉 波 張曉莉 尚增輝 李憲昭 賈光猛 雷 莎

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司）

目前，長(zhǎng)輸管道領(lǐng)域在油氣輸送工藝、主要耗能設(shè)備節(jié)能技術(shù)、優(yōu)化運(yùn)行及能源綜合利用等方面均有不同程度的發(fā)展。 工藝方面采用注入減阻劑、降凝劑的方法增加管輸量、改善介質(zhì)流動(dòng)特性，結(jié)合順序輸送、間歇輸送、富氣輸送及高壓輸送等方法降低生產(chǎn)能耗［1，2］。

減阻劑是一種具有粘彈性的高分子聚合物，可通過阻止油品形成湍流，從而減少流動(dòng)阻力達(dá)到減阻效果。 在已建或新建管道中注入減阻劑，可以提高管輸量，保障管道安全，減少輸油主泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，節(jié)約管道輸油成本等［3～6］。

筆者依托某長(zhǎng)輸成品油管道項(xiàng)目，利用Stoner Pipeline Simulator（簡(jiǎn)稱SPS）軟件中的減阻劑加注模型，對(duì)管道加注減阻劑前后的減阻效果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 項(xiàng)目概況及減阻效果評(píng)價(jià)方法

1.1 項(xiàng)目概述

某長(zhǎng)輸成品油管道，全長(zhǎng)364 km，全線共設(shè)4座站場(chǎng)，其中首站、2#站、3#站為輸油泵站。 管道材料為API 5L X52，首站至2#站距離為150 km，設(shè)計(jì)壓力為7.17 MPa，管徑為DN450 mm；2#站至3#站距離為134 km，設(shè)計(jì)壓力為7.17 MPa，管徑為DN450 mm；3#站至末站距離為80 km，設(shè)計(jì)壓力為8.07 MPa，管徑為DN400 mm；首、末站高程差為84.8 m。

1.2 減阻效果評(píng)價(jià)方法

SPS是國(guó)際上長(zhǎng)距離輸送管道常用的模擬分析軟件， 該軟件本身自帶減阻劑 （簡(jiǎn)稱DRA）模塊，通過將DRA廠家提供的減阻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入模型，模擬并驗(yàn)證其減阻效果。

減阻劑的減阻效果由減阻率DR定量表示（文中的減阻率曲線基于減阻劑注入量一定的條件下，減阻率取各站間減阻率的平均值），減阻率DR可表示為［6～8］：

式中 Δp0——不加減阻劑時(shí)的摩阻壓降，MPa；

ΔpDR——加減阻劑時(shí)的摩阻壓降，MPa。

注入減阻劑后管輸量的增輸比例用管道的增輸率ΔQ表示，增輸率ΔQ可表示為：

式中 Q1——未加減阻劑的管輸量，m3/h；

Q2——加減阻劑后的管輸量，m3/h。

2 模擬結(jié)果分析

影響減阻劑減阻效果的因素主要有：減阻劑注入位置、減阻劑濃度、管內(nèi)流體流速、管道長(zhǎng)度、油品的物性等［6，8，9］。筆者主要從減阻劑注入位置、減阻劑注入濃度和不同種類油品方面分析對(duì)減阻效果的影響。

2.1 減阻劑注入位置的影響

減阻劑的減阻效果不僅與減阻劑分子結(jié)構(gòu)、摩爾質(zhì)量及其在油品中的注入量有關(guān)，還與管輸油品的流態(tài)、軸向摩擦切應(yīng)力及其分布有關(guān)［6，8，10，11］。 減阻劑注入在各站場(chǎng)輸油主泵入口與注入在各站場(chǎng)出站管線上的減阻效果對(duì)比如圖1所示。圖中各站場(chǎng)名稱，1代表首站，2代表2#泵站，3代表3#泵站，下同。

圖1 減阻劑注入位置對(duì)減阻效果的影響

由圖1可知， 當(dāng)減阻劑注入位置在輸油主泵入口時(shí)，各站場(chǎng)出站壓力曲線與未注入減阻劑時(shí)的曲線重合，說明減阻劑未起到減阻作用；當(dāng)減阻劑注入位置在各輸油站場(chǎng)的出站管線上時(shí)，各站場(chǎng)出站壓力明顯降低， 說明減阻劑發(fā)揮作用，且各站間管道減阻率變化程度基本一致。

分析原因可能是由于高速剪切產(chǎn)生的摩擦剪切應(yīng)力較大，會(huì)剪斷減阻劑分子長(zhǎng)鏈，使其發(fā)生降解并失去或降低減阻能力。 因此，加劑油品應(yīng)盡量避免流經(jīng)泵、閥門、過濾器及彎頭等易產(chǎn)生高速剪切的部件。

2.2 減阻劑濃度的影響

對(duì)于同一種油品， 通過在SPS模型中改變減阻劑的注入量（減阻劑濃度）來分析其減阻效果，具體的減阻效果如圖2所示。 圖中減阻率和增輸率為各站場(chǎng)減阻率和增輸率的算術(shù)平均值，下同。

圖2 減阻劑注入量對(duì)減阻效果的影響

由圖2a、b可以看出，隨著減阻劑注入量的增加， 各輸油站場(chǎng)的出站壓力呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)，減阻率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，說明減阻劑注入量越多減阻效果越明顯。 這主要是由于減阻劑濃度的增加使其分子呈現(xiàn)較長(zhǎng)鏈的大分子，從而使流體流動(dòng)更加規(guī)則， 減少了輸送過程中的摩阻損失，從而降低各站場(chǎng)的出站壓力，減少各輸油站場(chǎng)泵的負(fù)荷； 同時(shí)由于加入的減阻劑濃度越高，其在管道內(nèi)形成彈性底層越厚，所能提供的維持流體正常快速流動(dòng)的能量就越多， 減阻效果就越好。 由圖2c、d可以看出， 隨著減阻劑注入量的增加，管道的管輸量呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，當(dāng)減阻劑的注入量增加到一定程度時(shí)，管輸量不再增加。分析原因可能是：減阻劑的注入改變了油流的流動(dòng)狀態(tài)，隨著減阻劑注入量的增加， 流體的流動(dòng)變得更加規(guī)則并呈現(xiàn)一定的流態(tài)， 使一部分徑向力轉(zhuǎn)變?yōu)轫樍飨虻妮S向力，從宏觀上減少了摩阻損失，管輸量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。 同時(shí)考慮到隨著減阻劑濃度的增加， 一方面影響它在管道內(nèi)形成彈性底層的厚度， 當(dāng)彈性底層達(dá)到管軸中心時(shí)， 減阻達(dá)到極限；一方面因減阻劑濃度增加，使減阻劑分子鏈加長(zhǎng)但同時(shí)降低了自身的抗剪切性， 加上管輸量受管徑、壁厚及雷諾數(shù)等因素影響，因此其增輸率有一個(gè)極大值， 當(dāng)管輸量達(dá)到后就不再隨濃度增加而發(fā)生變化［11，12］。

2.3 減阻劑對(duì)不同油品減阻效果的影響

2.3.1 減阻劑對(duì)汽柴油的減阻效果

依托SPS軟件， 在減阻劑種類和注入量一定時(shí)，模擬分析減阻劑對(duì)不同種類油品（汽油密度748 kg/m3，粘度0.5；柴油密度870 kg/m3，粘度6.5）的減阻和增輸效果，結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 減阻劑注入前后各站場(chǎng)出站壓力的變化

由圖3和圖4a可知， 當(dāng)注入管道中的減阻劑種類和注入量一定的條件下，管輸汽油時(shí)的減阻率（29.5%）比輸送柴油時(shí)的減阻率（14.8%）高近一倍，可看出管輸汽油比管輸柴油的減阻效果更顯著。 單純從各站場(chǎng)出站壓力來看，加入減阻劑后輸送汽油比輸送柴油時(shí)，各站場(chǎng)的出站壓力降低得更明顯， 分析原因可能是減阻劑的注入，使得管輸汽油中的流體相對(duì)于柴油來說處在紊流區(qū)的比例相對(duì)較高［10，11］，因此摩阻相對(duì)較小。由圖4b可知，當(dāng)注入管道中的減阻劑種類和注入量一定的條件下，輸送柴油時(shí)管道的增輸率達(dá)15.1%，而輸送汽油時(shí)管道的增輸率僅為2.88%， 分析原因可能是：未注入減阻劑前，輸送汽油比輸送柴油時(shí)流體形態(tài)更為規(guī)則，不規(guī)則分子較少；當(dāng)加入減阻劑后，不規(guī)則分子逐漸變規(guī)則，其中柴油中流體分子變化的較多，因此，輸送柴油時(shí)的管輸量比輸送汽油時(shí)變化更為明顯［13］。

圖4 管輸汽柴油工況下管道減阻率和增輸率的變化

2.3.2 減阻劑對(duì)不同種類柴油的減阻效果

依托SPS軟件， 在減阻劑種類和注入量一定的條件下，對(duì)不同種類（1#～4#）柴油（粘度分別為4.5、5.5、6.5、7.5）的減阻效果進(jìn)行分析，模擬分析結(jié)果如圖5、6所示。

圖6 管輸不同粘度柴油工況下管道增輸率和減阻率的變化

由圖5、6可知：當(dāng)管道內(nèi)未注入減阻劑時(shí)，隨著柴油粘度的增加，各站場(chǎng)出站壓力越高，說明各站間管段摩阻損失越大；當(dāng)管道內(nèi)注入的減阻劑量一定時(shí)，隨著柴油粘度的增加，各站場(chǎng)出站壓力逐漸增加，與未注入減阻劑時(shí)的變化趨勢(shì)一致。 此外，在減阻劑的注入量一定時(shí)，隨著管輸柴油粘度的增加，管輸量呈增加的趨勢(shì)。

造成上述現(xiàn)象的原因可能是由于：在未注入減阻劑前， 流體分子相對(duì)不規(guī)則的比例較高；當(dāng)注入減阻劑后，不規(guī)則分子逐漸變規(guī)則。 在減阻劑注入量一定時(shí)，隨著柴油粘度的增加，流體分子中由不規(guī)則變規(guī)則的比例越高，管輸量增加的相對(duì)較為明顯，而減阻率受減阻劑濃度的限制而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

3 結(jié)束語

依托某長(zhǎng)輸成品油管道項(xiàng)目， 利用SPS軟件建立SPS加減阻劑模型，并分別從減阻劑注入點(diǎn)、減阻劑注入量、不同種類油品對(duì)減阻效果的影響等方面進(jìn)行模擬分析，由分析結(jié)果可知：減阻劑應(yīng)注入在各輸油站場(chǎng)的出站端，以減少站內(nèi)設(shè)備等部件的剪切力；對(duì)同一種油品，隨著減阻劑濃度的增加，管輸量呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，當(dāng)增加到一定程度后保持不變，本項(xiàng)目中減阻劑注入量達(dá)到0.015 m3/h以上時(shí)，管輸量最大可提高25.7%；在減阻劑種類和注入量一定時(shí)，汽柴油對(duì)減阻劑的減阻效果影響差異較大，其中管輸柴油時(shí)管道增輸率達(dá)15.1%， 而同種工況下汽油增輸率僅為2.88%；在減阻劑種類和注入量一定時(shí)，隨著油品粘度的增加，管道增輸率呈增加的趨勢(shì)，減阻率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

上述模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)減阻試驗(yàn)結(jié)果基本吻合， 說明利用SPS軟件進(jìn)行模擬對(duì)管道輸送過程中確定減阻劑注入位置和添加濃度具有一定的指導(dǎo)意義，為管道工程設(shè)計(jì)、增輸改造、節(jié)能運(yùn)行提供了重要的參考。